DE3402500C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von MetallpulverInfo
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Description
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalltröpfchen in einem Winkel
von 10 bis 80 Grad, insbesondere etwa 40 bis 50 Grad, gegenüber der Horizontalen schräg nach
oben gerichtet durch den sich konvergierend verengenden Durchgang in den Expansionsraum geblasen
werden.
3. Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
a) einen einen Schmelztiegel (3) umschließenden Aufnahmebehälter (2);
b) ein über dem Schmelztiegel (3) angeordnetes und aus demAufnahmeraum (2) herausgeführtes
Steigrohr (7);
c) eine Einrichtung (5) zum Anheben des Schmelztiegels (3) innerhalb des Aufnahmebehälters (2)
und/oder zum Absenken des Steigrohres (7) derart, daß dieses in die Metallschmelze eintauchbar
ist;
d) eine in den Aufnahmebehälter (2) mündende Gasdruckleitung (11,12), durch die nicht-reaktives
bzw. inertes Gas inden Aufnahmebehälter (2) einleitbar ist unter Ausbildung eines Behälterinnendruckes,
der die Metallschmelze bei eingetauchtem Steigrohr (7) in diesem nach oben drückt;
e) eine in das Steigrohr (7) mündende Gasdruckleitung (13, 14, 15), durch die der im Steigrohr
(7) ansteigenden Metallschmelze ein nicht-reaktives bzw. inertes Gas, vorzugsweise Argon, unter
Ausbildung von Metallschaum zumischbar ist;
f) eine an das obere Ende des Steigrohres (7) angeschlossene Pulverisierungskammer (8), in die
ebenfalls eine Gasdruckleitung (17,18) mündet, eo durch die Gas, vorzugsweise nicht-reaktives
bzw. inertes Gas, unter hohem Druck einblasbar ist; und
g) einen an die Pulverisierungskammer (8) angeschlossenen Sammelbehälter (10), wobei der
Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer
(8) zum Sammelbehälter (10) konvergierend ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren, der Metallschmelze zugewandten
Ende des Steigrohres (7) eine durch die Metallschmelze zerstörbare Abdeckung (Kappe 7a)
angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergierende Durchgang
(9) von der Pulverisierungskammer (8) zum Sammelbehälter (10) etwa 10 bis 80 Grad, insbesondere 40
bis 50 gRad, gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckleitungen
(11; 13; 17) jeweils Gasdruck-Regulierventile (20) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmebehälter
(2) ein Überdruckventil (19) oder dergleichen aufweist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben
einer Metallschmelze aus einem Steigrohr.
Die Bedeutung von Metallpulver zur Herstellung von Metallgegenständen, insbesondere von Gegenständen
komplizierter Form, wird zunehmend größer. Aus diesem Grunde gibt es eine entsprechend große Anzahl
von Vorschlägen für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver, wobei die bekannten
Lösungen sowohl verfahrenstechnisch als auch vorrichtungsmäßig aufwendig und damit entsprechend
teuer sind. Auch ist der Energiebedarf bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen relativ hoch. Insbesondere
gewährleisten die bekannten Verfahren und Vorrichtungen keine gleichbleibende Metallpulver-Qualität.
Aus der DE-AS 12 85 098 ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, und zwar in erster Linie zur Herstellung von kleinen Metallkügelchen,
wie sie für Kugelschreiber, Kugellager oder dergleichen benötigt werden. Bei der bekannten Lösung
wird ein aufrechtes Steigrohr in eine Metallschmelze getaucht und um seine Längsachse in Drehung versetzt.
Über am oberen Ende des Steigrohres von einem zentralen Steigkanal ausgehend sich etwa radial nach außen
erstreckende Kanäle wird im Steigrohr bzw. Steigkanal ansteigende Metallschmelze unter Ausbildung von sich
verfestigenden Schmelztröpfchen abgeschleudert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, durch das bzw. die mit minimalem konstruktiven, verfahrenstechnischen und Energie-Aufwand
Metallpulver hoher gleichbleibender Qualität, insbesondere ohne Hohlräume, herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruches 1 und
vorrichtungsmäßig durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst.
Erfindungsgemäß ist Ausgang der Herstellung von Metallpulver eine Metall- bzw. Metallegierung-Schmelze,
wobei der gesamte Herstellungsprozeß in einem abgeschlossenen Raum, vorzugsweise im Inertgas, insbesondere
in Argon, stattfindet.
Ganz wesentlich ist die Ausbildung eines Metallschaumes durch Vermischen der Metallschmelze mit ei-
nem Gas, vorzugsweise nicht reaktivem bzw. Inertgas, und die Zerstäubung desselben in einer Pulverisierungskammer
durch Beaufschlagung des Metallschaumes mittels inertem Druckgas. Der Metallschaum wird dabei
in feine, zum Teil hohle Metalltröpfchen zerteilt. Das inerte Druckgas, vorzugsweise Argon, dient gleichzeitig
dazu, die Metalltröpfchen aus der Pulverisierungskammcr in einen geschlossenen Expansionsraum, nämlich
Sammelbehälter, durch ein in Strömungsrichtung konvergierendes Mundstück hindurch zu pressen, wodurch
eine sogenannte sekundäre Zerteilung der Metalltröpfchen in noch feinere volldichte Partikel erfolgt. Die hohlen
Metalltröpfchen platzen bei der sekundären Zerteilung auf. Im Expansionsraum bzw. Sammelbehälter, in
dem ein wesentlich niedrigerer Druck als in der vorgeordneten Pulverisierungskammer herrscht, setzt sich also
feinstes volldichtes Metallpulver ab. Aus diesem Metallpulver können Gegenstände höchster Formstabilität
hergestellt werden.
mebehälters 2 angeordnete Hülse 14 hindurch aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführt, wobei der Innendurchmesser
der Hülse 14 größer ist als der Außendurchmesser des Steigrohres 7 und der dabei entstehende
Ringraum 23 zwischen Steigrohr 7 und Hülse 14 gegenüber dem Innenraum des Aufnahmebehälters 2
einerseits (Ringdichtung 21) und der äußeren Umgebung andererseits (Ringdichtung 22) abgedichtet ist. In
den Ringraum 23 mündet eine Gasdruckleitung 13,
ίο durch die in den Ringraum 23 und von diesem durch
eine Öffnung 15 im Steigrohr 7 der im Steigrohr ansteigenden Metallschmelze (bei entsprechend hohem Gasdruck
im Inneren des Aufnahmebehälters 2) ein Inertgas, vorzugsweise Argon, zumischbar ist, so daß die Metallschmelze
das Steigrohr als Metallschaum verläßt. Der Ringraum 23 dient als Gas-Beruhigungsraum.
Am oberen, bereits außerhalb des Aufnahmebehälters 2 befindlichen Ende des Steigrohrs 7 ist eine sogenannte
Pulverisierungskammer 8 angeschlossen, in die
Durch die Erfindung ist sichergestellt, daß keine Me- 20 ebenfalls über eine Öffnung 18 Inertgas, nämlich Argon,
tallpartikel mit Hohlräumen verpreßt werden. An dieser unter hohem Druck einblasbar ist. Die Pulverisierungs-
Stelle sei vorsorglich erwähnt, daß der verwendete Begriff »Metall« auch Metallegierungen umfaßt, insbesondere
rostfreie Stahllegierungen und Superlegierungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Verfahrens- und Vorrichtungs-Unteransprüchen beschrieben, auf die ausdrücklich hingewiesen
ist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
näher beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
In einem allseitig gasdichten verschlossenen Aufnahmebehälter
2, der auf einer stabilen Unterlage 1 steht, ist ein Schmelztiegel 3 zur Aufnahme einer Metall- bzw.
Metallegierungs-Schmelze angeordnet. Über dem Schmelztiegel 3 befindet sich ein aus dem Aufnahmebehälter
2 herausgeführtes Steigrohr 7. Mittels einer hydraulisch oder hydro-pneumatisch oder auch mechanisch
angetriebenen Einrichtung kann der Schmelztiegel 3 innerhalb des Aufnahmebehälters 2 so weit angehoben
werden, daß das Steigrohr 7 in die Metallschmelze eintaucht. Die Hubeinrichtung 5 ist mit einem Hubtisch
4 verbunden, auf dem der Schmelztiegel 3 befestigt ist. Am unteren, der Metallschmelze zugewandten Ende
ist das Steigrohr 7 mit einer kappenartigen Abdeckung 7 a verschlossen, die beim Eintauchen des Steigrohres 7
in die Metallschmelze zerstört wird. Dem Schmelztiegel 3 ist eine Einrichtung 6 zur Erzeugung der erforderlichen
Schmelzwärme zugeordnet; bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Induktionsspule bekannter
Bauart, deren elektrische Anschlüsse aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführt sind (Steckanschluß 24). In
den Aufnahmebehälter 2 mündet eine Gasdruckleitung 11, wobei die Mündungsöffnung mit der Bezugsziffer 12
gekennzeichnet ist. Durch die Gasdruckleitung 11 ist in den Aufnahmebehälter Gas, insbesondere Inertgas, ζ. Β.
Argon, einleitbar unter Ausbildung eines Behälterinnendrucks, der die Metallschmelze im Steigrohr 7 nach
oben drückt, wenn dieses in die Metallschmelze eingetaucht ist. Der Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters
2 wirkt auf die freie Oberfläche der Metallschmelze. Um sicherzustellen, daß im Inneren des Aufkammer
8 ist ähnlich wie der obere Teil des Steigrohres 7 von einem gegenüber der äußeren Umgebung abgedichteten
Ringraum 16 umgeben, in den eine Gasdruckleitung 17 mündet. Der Ringraum 16 dient ebenso wie
der Ringraum 23 als Gasberuhigungszone. Die Gasdruckleitungen 11,13 und 17 weisen jeweils Gasdruck-Regulierventile
20 auf, so daß der Druck des durch diese Leitungen eingeleiteten Gases individuell aufeinander
abgestimmt werden kann. Durch die Einleitung von nicht reaktivem bzw. inertem Druckgas in die Pulverisierungskammer
8 erfolgt eine Zerstäubung bzw. Zerteilung des Metallschaums in zum Teil hohle Metalltröpfchen,
die noch relativ großvolumig sind. Das in die Pulverisierungskammer 8 eingeleitete Druckgas dient
zugleich dazu, die Metalltröpfchen durch einen sich konvergierend verengenden Durchgang 9 hindurch in
einen Expansionsraum, d. h. Raum niedrigen Druckes, nämlich geschlossenen Sammelbehälter 10, unter Ausbildung
feinsten volldichten Metallpulvers zu blasen. Von ganz wesentlicher Bedeutung ist die konvergierende
Verwendung des Durchgangs 9 und die dabei erzielte Beschleunigung der Gas-Metalltröpfchen-Strömung
von der Pulverisierungskammer 8 in den Sammelbehälter 10.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der sich konvergierend verengende Durchgang 9 in einem Winkel
α von etwa 45 Grad gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet. Die Längsachse des Durchgangs
9 deckt sich dabei mit der Längsachse der Pulverisierungskammer 8.
Der sich konvergierend verengende Durchgang 9 kann als auswechselbares Mundstück ausgebildet sein,
so daß abhängig von den gewählten Gasdrücken und der verwendeten Metallegierung unterschiedlich stark
konvergierende Durchgänge 9 durch Einsatz eines entsprechenden Mundstücks gewählt werden können.
Zur Herstellung von Metallpulver mittels der dargestellten und beschriebenen Vorrichtung wird zunächst
der mit Metallschmelze gefüllte Schmelztiegel 3 auf dem Hubtisch 4 innerhalb der Induktionsspule 6 angeordnet.
Λ
Durch die Induktionsspule 6 wird gewährleistet, daß das Metall im Schmelztiegel 3 im geschmolzenen Zu-
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nahmebehälters kein unzulässig hoher Gasdruck ausge- 65 stand verbleibt. Der Aufnahmebehälter 2 wird dann gas
bildet wird, ist der Aufnahmebehälter 2 mit einem Sicherheitsventil
19 versehen.
Das Steigrohr 7 ist durch eine im Deckel des Aufnahdicht abgeschlossen und über die Gasdruckleitung 11
und Öffnung 12 mit Argongas gefüllt. Dann wird mittels der Hubeinrichtung 5 der Hubtisch 4 und damit der
Schmelztiegel 3 mit der Schmelze soweit angehoben, daß das Steigrohr 7 mit seinem unteren Ende in die
Metallschmelze eintaucht, wodurch die Abdeckkappe 7 a zerstört wird. Durch den Gasdruck im Inneren des
Aufnahmebehälters 2, der auf die freie Oberfläche der Schmelze wirkt, wird diese durch das Steigrohr 7 noch
oben gedrückt. Gleichzeitig wird über die Leitung 13, den Ringraum 23 und die öffnung 15 im oberen Bereich
des Steigrohres 7 der aufsteigenden Metallschmelze ein nicht reaktives Gas, wie Argon, zugemischt, wodurch
Metallschaum entsteht. Dieser tritt in die Pulverisierungskammer 8 ein, in die durch die öffnung 18 ebenfalls
Gas unter Druck eingeblasen wird derart, daß eine Zerstäubung bzw. Zerteilung des Metallschaums in zum
Teil hohle Metalltröpfchen erfolgt. Durch das in die Pulverisierungskammer
8 eingeblasene Gas werden die Metalltröpfchen gleichzeitig durch den sich konvergierend
verengenden Durchgang 9 hindurch in einen Sammelbehälter 10 unter Ausbildung feinster volldichter
Metallpartikel geblasen. Hohle Metalltröpfchen platzen dabei auf und zerfallen in feinere Partikel bedingt durch
Partialdruck-Unterschiede innerhalb und außerhalb der Metalltröpfchen-Hohlräume. Der Sammelbehälter 10
ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen.
Wie bereits dargelegt worden ist, ist der sich konvergierend verengende Durchgang 9 für die Feinzerstäubung
von ganz wesentlicher Bedeutung. Bei Verwendung eines Mundstücks mit sich nicht verengendem
Durchgang erhält man einen großen Anteil von hohlen Metallpartikeln, aus denen nur bedingt formstabile Gegenstände
hergestellt werden können. Durch den konvergierenden Durchgang kann auch der Gasverbrauch
erheblich reduziert werden.
Durch den sich konvergierend verengenden Durchgang 9 erfolgt also eine weitere Zerteilung der in der
Pulverisierungskammer 8 ausgebildeten Metalltropfen, und zwar aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit,
mit der das Gas-Metalltröpfchen-Gemisch durch den Durchgang 9 strömt. Dadurch entstehen im
Bereich des sich konvergierend verengenden Durchgangs 9 die erwähnten Partialdruckunterschiede, die ein
Aufplatzen hohler Metalltröpfchen sowie eine weitere Zerkleinerung derselben bewirken. Dieser Effekt wird
zudem bei vergleichsweise geringem Gasverbrauch erzielt.
Unter Berücksichtigung nachstehender Parameter kann der Fachmann die optimale Form des sich konvergierend
verengenden Durchgangs 9 bestimmen sowie die dort herrschenden Druckverhältnisse berechnen, die
die Partikelgröße und den Gasverbrauch bestimmen:
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60
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Fd | Strömungskraft (dray force) |
cd | Strömungskoeffizient (dray coefficient) |
Ap | Partikelgröße |
S1 | Gasdichte |
V | Strömungsgeschwindigkeit |
gc | 32,27 |
Vt | End- bzw. Austrittsgeschwindigkeit |
Pg | Beschleunigung |
Dp | Partikeldurchmesser. |
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen |
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben einer Metallschmelze aus einem
Steigrohr, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Vermischen einer Metallschmelze mit Gas, vorzugsweise Inertgas, unter Ausbildung einer Metallschaumes;
b) Beaufschlagen des Metallschaumes mit einem — vorzugsweise inerten — Druckgas unter
Ausbildung von — zum Teil hohlen — Metalltröpfchen, wobei das Druckgas zugleich dazu
dient,
c) die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten volldichten Metallpulvers durch einen sich konvergierend
verengenden Durchgang hindurch in einen Expansionsraum zu blasen.
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